persamaan mixing model. Metode regresi digunakan untuk mengetahui mixing model mana yang memiliki akurasi paling tinggi untuk memprediksi porositas
batuan.
1. Simulasi dan Komputasi
Simulasi bertujuan untuk mendukung hipotesa teori terkait hubungan porositas terhadap kapasitansi batuan. Model sensor dan batuan disesuaikan dengan sifat
fisis sebenarnya. Model sensor yang dibuat menggunakan software COMSOL Multiphysic. Sesungguhnya, simulasi tetap menggunakan persamaan fisika dan
metode numerik untuk meminimalkan nilai error sehingga hasil simulasi mendekati hasil eksperimen. Prosedur simulasi pada penelitian ini akan dijelaskan
pada diagram alir gambar 3.2.
Gambar 3.2 Prosedur dasar simulasi
a. Desain Sensor
Model geometri sensor dan batuan shalegas dibuat secara 3 dimensi dengan batuan software COMSOL Multiphysic. Geometri sensor
diperlihatkan pada gambar 3.3 dengan jarak pemisah antara dua elektroda bagian tepi sebesar 5 mm dan pemodelan batuan shalegas diperlihatkan
pada gambar 3.4.
Gambar 3.3 Desain sensor kapasitansi a desain sensor b sensor
tampak atas c desain elektroda d tinggi sensor
a b
c d
Gambar 3.4
Model batuan shalegas Untuk mengurangi medan tepi membesar pada sisi-sisi elektroda dan dapat
mengurangi akurasi pengukuran kapasitantasi, bentuk elektroda Rx berbeda dengan elektroda Tx. Setelah geometri berhasil di import-kan
kedalam COMSOL Mutlipysic, langkah selanjutnya mendeskripsikan material pada setiap geometri.
b. Parameter Materials
Parameter ini menjelaskan material yang akan digunakan pada subdomain dan boundary dari geometri. Material dibutuhkan untuk mengetahui sifat
elektromagnetik ketika diberi medan listrik. Material yang digunakan pada simulasi ini antara lain adalah : udara standar, tembaga copper dan
matrik batuan shalegas yang ditunjukkan pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Parameter material
Bagian-bagian sensor gambar 3.3 seperti elektroda dan ground, material yang digunakan adalah tembaga. Untuk material batuan gambar 3.4
dibagi menjadi dua buah material yaitu matriks batu dan pori udara. Untuk material matriks batuan memiliki permitivitas 10 karena rata-rata
batuan shale memiliki nilai permitivitas 5-15 tabel 2.1 dan pori bersifat hidrokarbon gas udara dengan permitivitas 1 tabel 2.1.
c. Parameter Elektrostastik
Parameter ini menjelaskan elektrostatik pada bahanmaterial, berapa besar porositas material Porous Media pada gambar 3.6 dan memberikan
nilai tegangan pada elektroda transmitter pada gambar 3.7 dan reciever pada gambar 3.8. Pada elektroda transmitter diberi masukkan 18 volt dan
reciever diberi nilai 0 volt.
Gambar 3.6 Porous media
Gambar 3.7 Parameter elektroda transmitter
Gambar 3.8 Parameter elektroda reciever
Pada elektroda transmitter diberi tegangan positif dan elektroda reciever tidak diberi tegangan sehingga terjadi beda potensial antara dua elektroda.
Seperti prinsip kapasitor, ketika elektroda terhubung pada sumber tegangan beda potensial muatan akan berpindah dari satu elektroda ke
elektroda sampai jumlah muatan positif dan negatif sama. Jumlah muatan Q yang berpindah sebanding dengan beda potensial V seperti yang
dijelaskan pada persamaan 2.20.
d. Parameter Meshing
Mesh merupakan bagian unit terkecil dari geometri sensor dengan bentuk sederhana. Meshing adalah pembagian domain geometri sensor ke domain
lebih kecil mesh Pengaturan mesh dapat diatur sekecil apapun sesuai dengan kemampuan tingkat komputasi dari komputer yang digunakan.
Umumnya semakin halus ukuran mengurangi nilai error yang diperoleh, tetapi ukuran memori komputer juga harus besar jika tidak akan
memperlambat proses komputasi. Untuk mempermudah proses simulasi ukuran mesh normal jumlah elemen: 12571 sudah cukup. Gambar 3.9
memperlihatkan hasil meshing sensor.
Gambar 3.9 Meshing
e. Parameter Solver
Solver adalah teknik untuk mencari solusi metode numerik. Solver bertujuan untuk mengatur sistem penyelesaian masalah simulasi sesuai
dengan teorema fisika, dalam hal ini masalah medan listrik. Pengaturan parameter solver pada COMSOL Multiphysic harus bersesuaian dengan
kasus yang akan diselesaikan. Kemudian ekstrak nilai kapasitansi dari hasil simulasi seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.10.
Gambar 3.10 Data kapasitansi sensor
f. Analisis Data
Setelah simulasi selesai, langkah selanjutnya menggunakan data kapasitansi untuk dianalisis secara regresi dengan menggunakan
persamaan mix model VAT dan CRIM untuk mengetahui akurasi dari masing-masing mix model.
2. Eksperimen
Pada bagian eksperimen pengambilan data kapasitansi menggunakan 2 perangkat yaitu rangkaian C-V-converter dan capacitometer. Sampel batuan yang
digunakan sebelumnya telah dilakukan pengujian porositas dengan porosimeter sehingga nilai porositas batuan diketahui. Setiap pengujian menggunakan sensor
kapasitansi. Gambar 3.11 merupakan diagram alir eksperimen.
Gambar 3.11 Diagram alir rancangan eksperimen
a. Uji Permeabilitas dan Porositas
Sampel yang digunakan telah dilakukan pemeriksaan permeabilitas dan porositas. Tujuannya sebagai data acuan untuk mengetahui hubungan kapasitansi dengan
porositas batuan, sehingga mempermudah penelitian.
b. Rangkaian C-V Converter
Rangkaian C-V converter terdiri dari komponen IC AD827, resistor dan kapasitor. Rangkaian C-V converter dapat dilihat pada gambar 3.12 dengan spesifikasi Cf
sebesar 20pF dan Rf 10kΩ.
Gambar 3.12 Spesifikasi rangkaian C-V Converter
Pada eksperimen ini perangkat yang digunakan antara lain rangkaian C-V converter Osiloskop, Signal Generator, Sensor kapasitansi dan komputer.
Eksperimen ini bertujuan untuk mengetahui frekuensi serta tegangan optimal, sedangkan komputer untuk menyimpan data pengukuran. Hasil dari pengukuran
ini, bisa menjadi pembanding dengan nilai porositas sampel batuan. 20 pF
10 k Ω
IC AD827 Sensor
Gambar 3.13 . Ilustrasi eksperimen menggunakan rangkaian C-V converter
Deskripsi ilustrasi eksperimen menggunakan rangkaian C-V pada gambar 3.13:
1 Masukkan sampel batuan ke dalam sensor kapasitansi dengan garis batuan
sejajar dengan garis sudut putar sensor kapasitansi.
2 Kemudian mengatur nilai input frekuensi dan tegangan signal generator yang
akan dihubungkan ke channel Tx sensor dan osiloskop.
3 Tegangan output yang keluar dari sensor kemudian akan menjadi tegangan
input rangkaian C-V converter. Tegangan ouput tersebut akan terbaca dengan osiloskop.
4 Data pengukuran tegangan input Vi dan tegangan output Vo kemudian
dimasukkan ke dalam komputerlaptop untuk di analisis data pengukuran.
5 Data pengukuran yang terkumpul tersebut di analisa untuk mengetahui
pengaruh frekuensi terhadap kapasitansi. 5 Derajat
Diputar 180
Derajat
Batuan
Tx Rx
Sensor Sensor Tampak Atas
Sinyal Generator
Rangkaian Konverter C-V
Osiloskop Garis Tanda Orientasi
c. Capacitometer
Capacitometer adalah perangkat akusisi data yang digunakan untuk mengolah data pengukuran kapasitansi dengan frekuensi tunggal 2,5 MHz dan tegangan
input 18,4 Vpp. Capacitometer memiliki keunggulan yang mampu mengukur kapasitansi ukuran orde femto farad sedangkan LCR tidak bisa. Fungsi dari alat
ini untuk mengukur kapasitansi dari batuan material. Gambar 3.14 memperlihatkan ilustrasi percobaan menggunakan capacitometer.
Gambar 3.14 Sketsa eksperimen menggunakan Capacitometer
Prosedur penggunaan capacitometer untuk mengukur kapasitansi batuan:
1 Meletakkan sampel batuan ke dalam kapasitansi yang telah dihubungkan ke
Capacitometer.
2 Melakukan pengaturan pada perangkat capacitometer pada bagian menu
berikut: CF, Gain, Frame Rate, offset untuk mendapatkan set optimal terhadap pengukuran. Berikut adalah keterangan-keterangan dari fungsi set
menu pada capacitometer
a CF adalah pengaturan rentang pengukuran dalam piko farad dimana
pengaturan ini adalah mengatur nilai kapasitansi feedback yang ada di dalam rangkaian C-V.
Tx Rx
Sensor Capacitometer
Tx Rx Kursor
Layar
b Gain adalah menu pengaturan penguatan pada pengukuran kapasitansi.
c Frame Rate adalah menu untuk mengatur kecepatan transfer paket data
dari sistem ke PC yang dihitung dalam framedetik.
d Tegangan offset adalah menu untuk mengatur tegangan offset supaya
tegangan pengukuran mendekati volt sehingga gain dapat di tingkatkan.
3 Setelah pengaturan di perangkat selesai, melakukan pengaturan pada program
matlab yang disesuaikan dengan pengaturan capacitometer.
4 Kemudian running program, save data Cx Cref Vref Vcf untuk di analisis
data pengukurannya. Cx
: Nilai kapasitansi terukur Cref : Nilai Kapasitansi referensi rangkaian
V1 : Tegangan Output
Vref : Tegangan referensi rangkaian
5 Nilai kapasitansi dari capcito meter akan dianalisis untuk mengetahui
pengaruh nilai porositas sampel batuan terhadap pengukuran kapasitansi.
d. Analisis Data
Setelah data eksperimen diperoleh, langkah selanjutnya menggunakan data kapasitansi untuk dianalisis dengan metode regresi dengan menggunakan
persamaan mix model VAT dan CRIM untuk mengetahui akurasi dari masing- masing mix model.
Gambar 3.15 Diagram alir analisis data
D. Rancangan Data Pengamatan
Setelah perancangan penelitian selesai, selanjutnya adalah pengambilan data penelitian. Tabel 3.1 dan Tabel 3.2 berikut merupakan tabel rencana data
pengamatan.
Tabel 3.1 Rancangan Hasil Pengamatan Simulasi
No Jenis
Batuan Kapasitansi
Terukur Porositas
Pemodelan Porositas
Simulasi Error
1 Batuan A
2 3
4
Tabel 3.2 Rancangan Hasil Pengamatan Eksperimen
No Jenis
Batuan Kapasitansi
Terukur Porositas
Pemodelan Porositas
Porosimetri Error
1 Batuan A
2 Batuan B
3 Batuan C
4 Batuan D
Data Kapasitansi
Analisis Regresi
Koefisien
Persamaan VAT dan CRIM
Pengujian Nilai Regresi dengan Porositas
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa. 1.
Sensor kapasitansi mampu mengukur perbedaan kapasitansi pada setiap sampel batuan dengan karakteristik porositas batuan yang berbeda. Pada
batuan shalegas kapasitansi terukur 3,12pF-5,96pF dan pada batuan sandstone kapasitansi terukur 1,43pF-5,55pF.
2. Pada batuan sandstone hubungan porositas berbanding terbalik dengan
nilai kapasitansi batuan. Pada batuan shalegas hubungan porositas berbanding lurus dengan nilai kapasitansi batuan, hal ini dikarenakan
dielektrik bahan lebih dominan dibandingkan besar porositas. 3.
Frekuensi pengukuran optimal kapasitansi batuan shalegas dan sandstone pada frekuensi 500kHz-1MHz karena pada frekuensi ini nilai kapasitansi
yang terukur maksimal. 4.
Hubungan nilai kapasitansi terhadap sudut orientasi pemindaian menunjukkan sampel batuan 1H sandstone bersifat anistropik karena
pada sudut orientasi 0
o
-90
o
terjadi perubahan nilai kapasitansi yang signifikan dari 5,55pF sampai 4,12pF. Sedangkan pada sampel yang lain
bersifat isotropik karena tidak terjadi perubahan kapasitansi yang signifikan.
B. Saran
Adapun saran dari penelitian ini sebagai acuan perkembangan riset selanjutnya adalah sebagai berikut:
1. Perlu penambahan sampel batuan yang memiliki komposisi material yang
homogen, agar mempermudah perkembangan riset terkait hubungan kapasitansi dan porositas.
2. Mempelajari sifat elektromagnetik konstanta dielektrik campuran pada
jenis batuan berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
Anderson, B. I., Barber, T., and Luling, M. 2006. Observations of large dielectric effects on induction logs, or, can source rocks be detected with induction
measurements SPWLA 47th.Annual Logging Symposium. Beck, M.S., Byars, M., Dyakowski.T. Principles And Industrial Applications Of
Electrical Capacitance Tomography.1997. Measurement and Control. Vol. 30. pp 197
– 200. Bouledjnib, Leila and Sahli, Salah.2010. Investigation of Pores Influence On
Dielectric Constant Value In Low K Material Using Monte Carlo. Universitie Mentouri de Constantine, LMI, Vol 12.
Butt, Ali Shehzad.2012. Shale Characterization Using X-Ray Diffraction. Tesis Master Of Engineering, Universitas Dalhousie. Halifax, Nova Scotia.
Brenner, S.C and Scott, L.R. 1994. The Mathematical Theory of Finite Element Methods.Springer.
Baxter, L. K.1997. Capacitive Sensors Design and Applications.IEEE Press. New York
Cassidy, Nigel J.2009.Ground Penetaring Radar Theory And Elsavier Science Applications.Universitas Wisconsin-Eau Claire.UK.
Conyers, Lawrence. 2013. Radar for Archaeology Third Edition. Amerika: Alta Mira Press
Curtis, J.B.2002.Fractured Shale Gas systems. AAPG Bulletin vol 86. no.11 p. 1921-1938.
Das, Subir et al.2014. A Semi-Cylidrical Capacitive Sensor Used For Soil Moisture Measurement.International Journal of Electrical, Computer,
Energetic, Electronic and Communication Engineering.India
Directorate General of Oil and Gas.2012. Indonesia’a Unconventional Oil Gas :
Policies,Regulation and Opportunities on Upstream Oil Gas Business Development. www.migas.esdm.go.id.
Donthi, Sarath Subash. 2004.Capacitance Based Tomography for Industrial Application.Electronic System Group EE Dept. IIT Bombay.
Giancoli, Douglas.2005.Fisika Dasar Jilid 2.Erlangga.Jakarta. Hakim, Ahmad Novian Rahman. 2008. Algoritma Rekonstruksi Citra Pada
Electrical Capacitance Volume Tomography ECVT Untuk Sistem Pencitraan Tubuh Manusia. Departemen Fisika Skripsi. Universitas
Indonesia. Depok.
Halliday, D and Resnick, R.1997. Fisika Edisi Ketiga Jilid 2.Jakarta:Erlangga. Hayes, R R., Newill, P A.,Wodd, F J W.2010.An investigation into the use of a
mixture model for simulating the electrical properties of soil with varying effective saturation levels for sub-soil imaging using ECT.Journal of Physic
University of Manchester, UK. IOP Publishing.
Ismarani, T.2004. Karakteristik Abu Hasil Pembakaran Batubara Bukit Asam Tarahan, Lampung.Skripsi.Universitas Lampung. Bandar Lampung.
Lee, W.E. and Rainforth, W.M.1994.Structure Oxides I:Al
2
O
3
and Mullite in Ceramic Micro Structure: Property Control by Processing. Chapman and
Hall. London. P. 290.316. Marashdeh, Warsito and Fan, L.S. 2008. Electrical Capacitance Tomogrpahy-A
Perspective Q. IEC research industrial Engineering Chemistry Research.Ohio State Univ.ACS Publications. Ind. Eng. Chem. Res. 47,
3708, 3719.
Marzoug, A., AlGhamdi, T., Sassi, K.H., Badri, M.2013.Advanced Characterization Of Shale Gas Rocks Using Dual Range FTIR And
Dielectric Dispersion. The International Symposium of Society of Core Analysts, California,USA. Publish Saudi Aramco and Sclumberger Dhahran
Reserach Center, SCA 2013-042.
Muhtadi, Almas Hilman. 2012. Citra Fungsional Otak Berbasis Metode Tomografi Electrical Capacitance Volume Tomography. Jurusan Fisika
Skripsi. Institut Teknologi Bandung, Bandung. Potter. 1981. Sedimentology of Shale. Blackwell Science: New York
Rajeshwar, K., and Inguva, R .1985.Application of dielectric spectroscopy to
chemical characterization of oil shales.Fuel vol. 64.
